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CN113977934B - 一种面向熔融长丝制造的3d编织路径生成方法 - Google Patents

一种面向熔融长丝制造的3d编织路径生成方法 Download PDF

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CN113977934B CN202111262969.2A CN202111262969A CN113977934B CN 113977934 B CN113977934 B CN 113977934B CN 202111262969 A CN202111262969 A CN 202111262969A CN 113977934 B CN113977934 B CN 113977934B
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Abstract

本发明涉及一种面向熔融长丝制造的3D编织路径生成方法，包括如下步骤：输入表面网格模型、层厚与填充密度、喷嘴直径和丝材根数三个3D编织路径控制参数；采用常规均匀切片方法完成输入模型的分层后，分别生成具有特定填充密度的内部编织路径及外轮廓路径，及其二者的加工顺序，以及内部编织路径及外轮廓路径对应的材料挤出量，以得到3D编织路径，其中内部编织路径具有多层结构，层与层之间相互交错。本发明适用于多种材料的熔融长丝制造打印设备，在保证最小化后处理工作量的基础上，生成与3D编织类似的层间结构，形成层间的互锁结构，实现层与层之间的互锁结构，能够有效的降低得到的打印件的各向异性。

Description

一种面向熔融长丝制造的3D编织路径生成方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，提出了一种面向熔融长丝制造的3D编织路径生成方法。
背景技术
熔融长丝制造(Fused Filament Fabrication,FFF)是增材制造(也称3D生成)中被广泛应用的一种快速成型方法，它通常以STL格式的三角网格文件为输入，通过将热塑性材料加热到熔融状态，并由喷嘴挤出到生成平台上，以逐层累积生成出实体物品。FFF容易操作和维护，与其它主要的3D生成方法相比，具有经济实惠且成本效益高等的优点，因此在3D生成行业应用广泛。
FFF工艺通常使用连续聚合物长丝纤维作为生成材料，并通过逐层累积的方法制造3D模型，由于丝材在轴向和径向强度具有明显的差异，因此由丝材粘接而成的模型通常会表现出各向异性，层内连接强度大于层间，层内各个方向也随丝材沉积路径的不同具有明显的差异，致使制造出的模型容易发生分层和断裂现象。
为了改善FFF工艺中的各向异性，常采用的方式是选用调整成形温度，采用层间交错的路径，以增加丝材之间的接触面积等方法。但这些处理方式对于不能从根本上改变材料的连接方式，因此难以从根本上改变FFF制件力学性能各向异性的问题。
发明内容
针对已有技术的不足，本发明的目的是提出一种面向熔融长丝制造的3D编织路径生成方法，以降低按对应路径得到的打印件的各向异性。本发明能生成多层循环生成工艺路径，该路径具有与3D编织类似的层间结构，层与层之间的互锁且嵌入，能提高层内与层间的连接强度，降低按对应路径得到的打印件的各向异性，并且能在通用的FFF平台上实现。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种面向熔融长丝制造的3D编织路径生成方法，包含如下步骤：
1.一种面向熔融长丝制造的3D编织路径生成方法，其特征在于，3D编织路径包括内部编织路径和外轮廓路径，3D编织路径生成方法包含如下步骤：
(1)输入表面网格模型、层厚与填充密度、喷嘴直径和丝材根数三个3D编织路径控制参数；
(2)采用常规均匀切片方法完成输入模型的分层后，分别生成具有特定填充密度的内部编织路径及外轮廓路径，及其二者的加工顺序，以及内部编织路径及外轮廓路径对应的材料挤出量，以得到3D编织路径，其中内部编织路径具有多层结构，层与层之间相互交错。
可选地，所述步骤(2)中的内部编织路径由一个初始层ls和若干循环层lj构成，循环层lj包含5层路径l(j,k)，k＝1,2,3,4,5，初始层ls仅在第一层生成，循环层lj不断重复，直至达到模型打印的高度为止；初始层ls与第一个循环层lj的第一层路径l(0,1)相互交叉，在循环层lj中，上下相邻层的路径l(j,k)与l(j,k+1)相互交叉，l(j,5)与l(j+1,1)相互交叉；
生成具有特定填充密度的内部编织路径的步骤包括：在循环层lj中分别生成纬纱带、经纱带，且经纱带与纬纱带交错形成互锁结构，每条纱带由m根丝材构成，每条经纱带或纬纱带的厚度均为h，每条经纱带或纬纱带的宽度均为m×w，同一层中相邻经纱带之间或相邻纬纱带之间的间隔设置为m×w，其中w为喷嘴直径，m为一条纱带包含的丝材根数；
起始层ls的构建流程为：在笛卡尔坐标系中沿着y轴生成纬纱带，根据轴对齐包围盒的宽度、纬纱带的宽度及喷嘴直径计算起始层ls纬纱带的条数t1，生成m根丝材，第一条纬纱带即生成完成，间隔m×w生成第二条纬纱带，如此循环生成，直到纬纱带条数达到t1，起始层ls为平面打印，生成完成后，起始层ls在不同位置有两个高度，分别为0和h；
l(j,1)层的构建流程为：从起始层ls生成的起始位置沿x轴生成经纱带，生成到l(j,1)层与起始层ls的纬纱带重叠的部分时，抬高层厚h继续生成，至未重叠部分时，降回l(j,1)层起始高度继续生成，第一条经纱带生成完成后，间隔m×w生成下一条经纱带，根据轴对齐包围盒的长、经纱带的宽度及喷嘴直径计算l(j,1)层经纱带的条数t2，经纱带数目达到计算值t2，l(j,1)层生成结束，l(j,1)层在不同位置有三个高度，分别为0、h和2h；
l(j,2)层的构建流程为：沿着y轴生成纬纱带，l(j,2)层与l(j,1)层的经纱带有部分重叠，当生成到重叠的部分时，抬高h继续生成，本层中，纬纱带之间间隔m×w，计算l(j,2)层纬纱带条数t3，纬纱带数目达到计算值t3，l(j,2)层生成结束，生成完成后，l(j,2)层在不同位置有两个高度，分别为h和2h；
l(j,3)层的构建流程为：沿着x轴生成经纱带，l(j,3)层为平面打印，l(j,3)层的经纱带层厚为2h，经纱带之间间隔m×w，计算l(j,3)层经纱带条数t4，经纱带数目达到计算值t4，l(j,3)层生成结束，生成完成后，l(j,3)层在不同位置有两个高度，分别为2h和3h；
l(j,4)层的构建流程为：沿着y轴生成纬纱带，在生成到未与l(j,3)层重叠的部分时下降h继续生成，重叠时抬高h继续生成，l(j,4)层纬纱带条数与l(j,1)层相同，生成完成后，l(j,4)层在不同位置有三个高度，分别为2h、3h和4h；
l(j,5)层的构建流程为：沿着x轴生成经纱带，在生成到未与l(j,4)层重叠的部分时下降h继续生成，重叠时抬高h继续生成，l(j,5)层经纱带条数与l(j,1)层相同，生成完成后，l(j,5)层在不同位置有两个高度，分别为3h和4h。
可选地，所述步骤(1)中，分别生成具有特定填充密度的内部编织路径及外轮廓路径，及其二者的加工顺序的步骤包括：
根据输入切片高度序列，生成每层切片外轮廓路径C＝{c0,c1,...,ci}和模型轴对齐包围盒切片B＝{b1,b2,...,bi}；
在生成ls之后，生成外轮廓的起始层c0，此时外轮廓高度为h，内部编织路径在不同位置有两个高度，分别为0和h；
生成内部编织路径的第一个循环层的l(0,1)与l(0,2)，接着生成外轮廓的第一层c1与第二层c2。此时外轮廓的高度为3h，内部编织路径在不同位置有两个高度，分别为h和2h；
生成内部编织路径的第一个循环层的l(0,3)与外轮廓的第三层c3，此时外轮廓高度为4h，内部编织路径在不同位置有两个高度，分别为2h和3h；
最后生成内部编织路径的第一个循环层的l(0,4)与l(0,5)，生成完成后，内部编织路径在不同位置有两个高度，分别为3h和4h；
循环上述步骤直至达到模型高度为止，对外轮廓路径与内部编织路径做布尔运算，位于外轮廓之外和轴对齐包围盒切片B之内的路径不予生成。
可选地，内部编织路径对应结构的填充密度v＝r×d/m×100％，通过选取实际打印丝材根数d、理论生成对数m和内部控制挤出速率系数r计算得到，其中r表示挤出速度的倍率。
综上所述，本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明方法适用于多种材料的熔融长丝制造打印设备生成无复杂结构的模型，在保证最小化后处理工作量的基础上，生成与3D编织类似的层间结构，形成层间的互锁结构，实现层与层之间的互锁结构，能够有效的降低按对应路径得到的打印件的各向异性；
2.本发明的方法同时也适用于使用龙门吊等机构的大尺寸熔融沉积增材制造系统，层间的互锁结构可以无限上升，以生成大尺寸的打印件。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明实施例中面向熔融长丝制造的3D编织路径生成方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例中按3D编织路径得到的结构的分解图；
图3为本发明实施例中按3D编织路径得到的结构图；
图4(a)为本发明实施例中按3D编织路径生成的起始层示意图；
图4(b)为本发明实施例中生成起始层ls时的高度示意图；
图5(a)为本发明实施例中按3D编织路径生成的循环层的第一层示意图；
图5(b)为本发明实施例中生成循环层第一层时的高度示意图；
图6(a)为本发明实施例中按3D编织路径生成的循环层的第二层示意图；
图6(b)为本发明实施例中生成循环层第二层时的高度示意图；
图7(a)为本发明实施例中按3D编织路径生成的循环层的第三层示意图；
图7(b)为本发明实施例中生成循环层第三层时的高度示意图；
图8(a)为本发明实施例中按3D编织路径生成的循环层的第四层示意图；
图8(b)为本发明实施例中生成循环层第四层时的高度示意图；
图9(a)为本发明实施例中按3D编织路径生成的循环层的第五层示意图；
图9(b)为本发明实施例中生成循环层第五层时的高度示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的优选实施实例，结合附图详细说明如下：
本实施例中，面向熔融长丝制造的3D编织路径包括内部编织路径和外轮廓路径，如图1-3所示，本实施例提供的面向熔融长丝制造的3D编织路径生成方法包括如下步骤：
(1)输入参数，具体操作为，向3D打印平台输入表面三角网格模型(即3D模型)、层厚与编织控制参数，其中编制控制参数包括编织路径参数，编织路径参数包括填充密度、喷嘴直径和丝材根数；
(2)切片，采用通用均匀切片方法针对输入表面三角网格模型进行切片分层，此后，生成外轮廓路径C＝{c0,c1,...,ci}和轴对齐包围盒切片B＝{b1,b2,...,bi}，每层ci厚度为h；
(3)根据填充密度、喷嘴直径和丝材根数三个编织路径参数生成一个初始层ls和若干循环层lj，循环层lj由多层经纱带或纬纱带构建而成(本实施例中循环层共有5层结构，每层的路径以l(j,k)表示，j表示循环层组号，取值从0开始，k表示层号，k＝1,2,3,4,5)，初始层ls与第一个循环层lj的第一层路径l(0,1)的丝材相互交叉，在循环层lj中，上下相邻层l(j,k)与l(j,k+1)的丝材相互交叉，l(j,5)与l(j+1,1)的丝材相互交叉，以形成具有特定填充密度的内部编织路径，且最终形成3D编织型结构；
(4)交错生成外轮廓路径C与内部编织路径，首先生成初始层ls，然后按照顺序{cj*4，l(j,1)，l(j,2)，cj*4+1，cj*4+2，l(j,3)，cj*4+3，l(j,4)，l(j,5)}循环，依次生成外轮廓路径和内部编织路径，直至达到模型高度为止。如此，即可得到面向熔融长丝制造的3D编织路径。
(5)将3D编织路径转换为G代码输出。
具体地，内部编织路径由一个初始层ls和若干循环层lj构成，如步骤(3)中所述，每个循环层lj包含5层路径，本实施例中，初始层ls仅在第一层生成，循环层lj不断重复，直至达到模型需打印的高度为止，如图2所示，其详细内容为：
在循环层lj中将分别生成相互垂直的纬纱带和经纱带，以交错形成互锁结构。每条经纱带或纬纱带均由m根由喷嘴挤出的丝材构成，每条经纱带或纬纱带的厚度均为h，每条经纱带或纬纱带的宽度均为m×w，同一层中相邻经纱带之间或相邻纬纱带之间的间隔设置为m×w，其中m为一条经纱带或纬纱带包含的丝材根数，w为喷嘴直径。
如图4(a)所示，起始层ls的构建流程为：在笛卡尔坐标系中沿着y轴生成纬纱带，根据轴对齐包围盒的宽度、纬纱带的宽度及喷嘴直径计算该层纬纱带的条数t1。生成m根丝材，第一条纬纱带即生成完成，随即间隔m×w生成第二条纬纱带，如此循环生成，直到纬纱带条数达到t1。该层为平面打印，进行打印动作时，喷嘴在z方向上无需上下移动。如图4(b)所示，初始层ls在不同位置有两个高度，分别为0和h。
如图5(a)所示，l(j,1)层的构建流程为：从起始层ls生成起始的位置沿x轴生成经纱带。生成到l(j,1)层与起始层ls的纬纱带重叠的部分时，抬高层厚h再继续生成，至未重叠部分时，降回该层起始高度继续生成。第一条经纱带生成完成后，间隔m×w生成下一条经纱带，根据轴对齐包围盒的长、经纱带的宽度及喷嘴直径计算该层经纱带的条数t2，经纱带数目达到计算值t2，该层生成结束。如图5(b)所示，l(j,1)层在不同位置有三个高度，分别为0、h和2h。
如图6(a)所示，l(j,2)层的构建流程为：沿着y轴生成纬纱带。该层与l(j,1)层的经纱带有部分重叠，当生成到重叠的部分时，抬高h再继续生成。本层中，纬纱带之间间隔m×w，根据轴对齐包围盒的长、经纱带的宽度及喷嘴直径计算该层纬纱带的条数t3，纬纱带数目达到计算值t3，该层生成结束。如图6(b)所示，生成完成后，l(j,2)层在不同位置有两个高度，分别为h和2h。
如图7(a)所示，l(j,3)层的构建流程为：沿着x轴生成经纱带，该层为平面打印，进行打印动作时，喷嘴无需在z轴方向上上下移动，该层挤出量为其他层的两倍，即该层经纱带层厚为2h。经纱带之间间隔m×w，根据轴对齐包围盒的长、经纱带的宽度及喷嘴直径计算该层经纱带的条数t4，经纱带数目达到计算值t4，该层生成结束。如图7(b)所示，生成完成后，l(j,3)层在不同位置有两个高度，分别为2h和3h。
如图8(a)所示，l(j,4)层的构建流程为：第四层为沿着y轴生成的纬纱带，在生成到未与第三层重叠的部分时需下降h再继续生成，重叠时抬高h再继续生成。该层纬纱带条数与l(j,1)层相同，纬纱带之间间隔m×w。如图8(b)所示，生成完成后，l(j,4)层在不同位置有三个高度，分别为2h、3h和4h。
如图9(a)所示，l(j,5)层的构建流程为：第五层为沿着x轴生成的经纱带，在生成到未与第四层重叠的部分时需下降h再继续生成，重叠时抬高h再继续生成。该层经纱带条数与l(j,1)层相同，经纱带之间间隔m×w。如图9(b)所示，生成完成后，l(j,5)在不同位置有两个高度，分别为3h和4h。l(j,5)与l(j+1,1)层相互交错，从而保证得到的3D编织结构在厚度方向上可以编织。
所述步骤(3)中，内部编织路径对应结构的填充密度v＝r×d/m×100％，由每条丝材中实际打印丝材根数d、理论打印根数m和内部控制挤出速率系数r共同插值近似得到。其中r为喷嘴挤出速度e(单位mm/min)的倍率，由于实际打印丝材根数d和理论打印根数m都需要设置为正整数，打印时，本例中采用匀速打印各层经纱带和纬纱带，挤出速度e保持恒定则v是离散的。比如：当m＝5时，d＝1,2,3,4,5，填充密度有20％，40％，60％，80％，100％这五个离散值，此时需要通过改变r使填充密度v连续变化。
所述步骤(4)中交错生成外轮廓路径C与内部编织路径的具体操作为：首先生成ls，然后按照顺序{cj*4，l(j,1)，l(j,2)，cj*4+1，cj*4+2，l(0,3)，cj*4+3，l(j,4)，l(j,5)}循环，依次生成外轮廓路径C和内部路径，直至达到模型高度为止。对此，更为详细的步骤为：
(4.1)在生成ls之后，生成外轮廓的起始层c0。此时外轮廓高度为h，内部编织路径在不同位置有两个高度，分别为0和h；
(4.2)生成内部编织路径的第一个循环层的l(0,1)与l(0,2)，接着生成外轮廓的第一层c1与第二层c2。此时外轮廓的高度为3h，内部编织路径在不同位置有两个高度，分别为h和2h；
(4.3)生成内部编织路径的第一个循环层的l(0,3)与外轮廓的第三层c3。此时外轮廓高度为4h，内部编织路径在不同位置有两个高度，分别为2h和3h；
(4.4)最后生成内部编织路径的第一个循环层的l(0,4)与l(0,5)。生成完成后，内部编织路径在不同位置有两个高度，分别为3h和4h。
循环(4.2)到(4.4)步，直至达到模型高度。对外轮廓路径与内部编织路径做布尔运算，此处布尔运算的操作为，针对第i层切片，当路径位于当前层第i层外轮廓路径ci之外和模型轴的对齐包围盒切片B在第i层的投影bi之内时，路径不予生成。生成结果如图3所示，虚线表达的路径为不予生成部分。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种面向熔融长丝制造的3D编织路径生成方法，其特征在于，3D编织路径包括内部编织路径和外轮廓路径，3D编织路径生成方法包含如下步骤：
(1)输入表面网格模型、层厚与填充密度、喷嘴直径和丝材根数三个3D编织路径控制参数；
(2)采用常规均匀切片方法完成输入模型的分层后，分别生成具有一定填充密度的内部编织路径及外轮廓路径，及其二者的加工顺序，以及内部编织路径及外轮廓路径对应的材料挤出量，以得到3D编织路径，其中内部编织路径具有多层结构，层与层之间相互交错；
所述步骤(2)中的内部编织路径由一个初始层ls和若干循环层lj构成，循环层lj包含5层路径l(j,k)，k＝1,2,3,4,5，初始层ls仅在第一层生成，循环层lj不断重复，直至达到模型打印的高度为止；初始层ls与第一个循环层lj的第一层路径l(0,1)相互交叉，在循环层lj中，上下相邻层的路径l(j,k)与l(j,k+1)相互交叉，l(j,5)与l(j+1,1)相互交叉；
生成具有一定填充密度的内部编织路径的步骤包括：在循环层lj中分别生成纬纱带、经纱带，且经纱带与纬纱带交错形成互锁结构，每条纱带由m根丝材构成，每条经纱带或纬纱带的厚度均为h，每条经纱带或纬纱带的宽度均为m×w，同一层中相邻经纱带之间或相邻纬纱带之间的间隔设置为m×w，其中w为喷嘴直径，m为一条纱带包含的丝材根数；
起始层ls的构建流程为：在笛卡尔坐标系中沿着y轴生成纬纱带，根据轴对齐包围盒的宽度、纬纱带的宽度及喷嘴直径计算起始层ls纬纱带的条数t1，生成m根丝材，第一条纬纱带即生成完成，间隔m×w生成第二条纬纱带，如此循环生成，直到纬纱带条数达到t1，起始层ls为平面打印，生成完成后，起始层ls在不同位置有两个高度，分别为0和h；
l(j,1)层的构建流程为：从起始层ls生成的起始位置沿x轴生成经纱带，生成到l(j,1)层与起始层ls的纬纱带重叠的部分时，抬高层厚h继续生成，至未重叠部分时，降回l(j,1)层起始高度继续生成，第一条经纱带生成完成后，间隔m×w生成下一条经纱带，根据轴对齐包围盒的长、经纱带的宽度及喷嘴直径计算l(j,1)层经纱带的条数t2，经纱带数目达到计算值t2，l(j,1)层生成结束，l(j,1)层在不同位置有三个高度，分别为0、h和2h；
l(j,2)层的构建流程为：沿着y轴生成纬纱带，l(j,2)层与l(j,1)层的经纱带有部分重叠，当生成到重叠的部分时，抬高h继续生成，本层中，纬纱带之间间隔m×w，计算l(j,2)层纬纱带条数t3，纬纱带数目达到计算值t3，l(j,2)层生成结束，生成完成后，l(j,2)层在不同位置有两个高度，分别为h和2h；
l(j,3)层的构建流程为：沿着x轴生成经纱带，l(j,3)层为平面打印，l(j,3)层的经纱带层厚为2h，经纱带之间间隔m×w，计算l(j,3)层经纱带条数t4，经纱带数目达到计算值t4，l(j,3)层生成结束，生成完成后，l(j,3)层在不同位置有两个高度，分别为2h和3h；
l(j,4)层的构建流程为：沿着y轴生成纬纱带，在生成到未与l(j,3)层重叠的部分时下降h继续生成，重叠时抬高h继续生成，l(j,4)层纬纱带条数与l(j,1)层相同，生成完成后，l(j,4)层在不同位置有三个高度，分别为2h、3h和4h；
l(j,5)层的构建流程为：沿着x轴生成经纱带，在生成到未与l(j,4)层重叠的部分时下降h继续生成，重叠时抬高h继续生成，l(j,5)层经纱带条数与l(j,1)层相同，生成完成后，l(j,5)层在不同位置有两个高度，分别为3h和4h。
2.根据权利要求1中所述的面向熔融长丝制造的3D编织路径生成方法，其特征在于，所述步骤(1)中，分别生成具有一定填充密度的内部编织路径及外轮廓路径，及其二者的加工顺序的步骤包括：
根据输入切片高度序列，生成每层切片外轮廓路径C＝{c0,c1,...,ci}和模型轴对齐包围盒切片B＝{b1,b2,...,bi}；
在生成ls之后，生成外轮廓的起始层c0，此时外轮廓高度为h，内部编织路径在不同位置有两个高度，分别为0和h；
生成内部编织路径的第一个循环层的l(0,1)与l(0,2)，接着生成外轮廓的第一层c1与第二层c2，此时外轮廓的高度为3h，内部编织路径在不同位置有两个高度，分别为h和2h；
生成内部编织路径的第一个循环层的l(0,3)与外轮廓的第三层c3，此时外轮廓高度为4h，内部编织路径在不同位置有两个高度，分别为2h和3h；
最后生成内部编织路径的第一个循环层的l(0,4)与l(0,5)，生成完成后，内部编织路径在不同位置有两个高度，分别为3h和4h；
循环上述步骤直至达到模型高度为止，对外轮廓路径与内部编织路径做布尔运算，位于外轮廓之外和轴对齐包围盒切片B之内的路径不予生成。
3.根据权利要求2中所述的面向熔融长丝制造的3D编织路径生成方法，其特征在于，内部编织路径对应结构的填充密度v＝r×d/m×100％，通过选取每条丝材中实际打印丝材根数d、理论生成对数m和内部控制挤出速率系数r计算得到，其中r表示挤出速度的倍率。
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